磷酸铁锂电池生产厂房洁净车间设计及洁净间低湿环境控制方案

       随着新能源汽车的蓬勃发展，锂离子动力电池的需求也呈现爆发式增长。我国政府高度重视发展电池产业，国家发改委将锂离子电池等列入国家重点科技攻关项目。当前锂离子电池的研发与应用，已成为现阶段的焦点技术。

       锂电池厂房生产过程中，对空气湿度要求很高。但是在实际生产过程中，有的生产单位没有做好相应的除湿工作，无法保证产品的实际质量，降低了企业的经济效益，对企业发展产生极为不利的影响。因此，为了保证产品生产质量，合景智慧建设(广东)有限公司（下称“合景净化工程公司”或“我司”）为大家解析锂电池行业生产工序及针对锂电池厂房空调除湿系统设计进行分析和论述，并提出相应的设计方法。

一、锂电池简介

       “锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、 使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N.Lewis 提出并研究。20世纪70年代时，M.S.Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。随着科学技术的发展， 现在锂电池已经成为了主流。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。本文中所说的锂电池就是锂离子电池，是锂离子在正、负极之间反复进行脱出和嵌入的二次电池。锂离子电池一般以石墨为负极材料、锂合金金属氧化物为正极材料、使用非水电解质，其性能主要取决于正负极材料。目前市场上负极区别不大， 应用于动力型锂离子电池的正极材料主要有磷酸铁锂（LiFePO4）和三元材料等。 锂离子电池性能的改善，很大程度上决定于电极材料性能的改善，尤其是正极材料。

1 .1 锂电池主要生产工序

       以典型的方形磷酸铁锂锂电池为例，其主要工序有合浆、涂布、辊压、分条、模切、卷绕、装配、干燥、一次注液、化成、二次注液、激光封孔、检漏、贴膜、静置、定容、分选、模块组装、pack组装等。工艺流程如图1所示。

图1 方形磷酸铁锂电池生产工艺流程图

1 .2 水分对锂电池性能的影响分析

       影响锂电池性能的因素有很多，诸如材料种类、正负极压实密度、水分、涂布面密度及电解液用量等。其中水分对锂离子电池的性能有着至关重要的影响，水分是锂离子电池生产过程中需要严格控制的关键因素。水分对锂离子电池首次放电容量、内阻、循环性能、厚度各方面性能影响较大。水分含量高时，电池的放电容量会降低，内阻变大，循环衰减严重，电池的厚度也会增加。因此，为保障电池的性能，在电池生产过程中的各个环节都需要严格控制水分。

1 .3 项目简介

       本项目年产锂离子动力电池5GWh，主要为三元体系锂电池，另外还有部分的磷酸铁锂体系锂电池。项目总的建筑面积为72216m2，其中低湿及洁净空调系统所占面积约为32000㎡ 。

二、锂电池产品生产工艺的环境要求分析

       以磷酸铁锂体系锂电池为例， 锂电池典型生产工艺流程和生产环境要求如图2所示。

图2 典型磷酸铁锂电池体系生产公司流程及生产环境需求图

       根据以上工艺需求特点，可以大致将锂电池生产厂房对于空调系统的湿度需求分为以下三类：

       1）普通湿度需求空调房间，如负极涂布间等房间，其湿度控制需求为≤60%，该需求可通过冷却除湿实现。

       2）低湿需求空调房间，如正极辊压间、正极分条间、正极模切间以及正极二分间等房间，其湿度控制需求为≤20%，以及正极涂布间、负极辊压间、负极分条间、负极模切间以及负极二分间等房间，其湿度控制需求为≤45%，该需求通过冷却除湿很难实现，因此往往通过转轮除湿机组处理后来满足使用需求，机组中设置一级转轮。

       3）低露点湿度需求空调房间，如干燥间、化成间以及注液间等房间，其湿度控制需求为露点≤-50℃，甚至更高，该需求现有的一级转轮除湿机组很难满足工艺需求，工程中一般设置两级转轮除湿段对房间空气进行处理，以满足使用需求。

三、锂电池生产行业除湿方式的选择和确定

       现行的空气除湿方式有很多种，包括冷却除湿，液体吸附剂除湿， 固体吸附剂除湿， 膜除湿等。 在实际应用中， 单一除湿技术很难满足要求， 而且从节能角度考虑， 多种除湿技术联合使用能综合各种技术的优势、规避自身不足， 在节能的同时提高除湿的效率。

       目前，空气除湿主要有冷却除湿和转轮除湿。 在空调除湿系统中，冷却除湿在高温高湿的环境且对湿度要求不是很严格的条件下，效果还是比较好，但在除湿量比较大且环境温度比较低的环境中，湿度和温度要求比较高的地方，采用冷却除湿就很难达到所控制的湿度要求，并会出现冷凝结露现象且能耗也是比较大的，因为空气只有冷却到露点温度以下（一般是15℃左右）才能进行除湿，这就需要把被处理的空气处理到露点温度以下后进行除湿，处理后的空气温度（15℃左右）是比较低的，并不能直接送入室内，因为在低温的环境中会使人身体不适，所以就要求把处理后的空气温度再加热到人体比较适合的温度（一般是 23℃左右），从而在把被处理的空气先降温到露点温度进行除湿再加热升温到舒适的环境温度在能耗消耗上是比较大的。并要求在某些过渡季节甚至冬季同样需要开启制冷机组，目的仅仅是除湿（对新风进行降温除湿）。而后再通过后加热补偿的方式，重新控制室内的温度要求，浪费了大量的能源。而采用转轮除湿机进行除湿，将不受空气露点影响， 且除湿量大。轮除湿机是利用固体吸湿剂做成的转轮进行旋转除湿的设备。转轮除湿机的核心结构为一不断转动的蜂窝状干燥转轮，它是除湿机吸收水分的最关键的部件，是由含有少许金属钛的特殊玻璃纤维载体和活性硅胶复合而成，其蜂窝状的结构设计不仅能够极大限度的附着吸湿剂，增加湿空气与吸湿剂相互接触的表面积，提高除湿机的工作效率，而且具有很高的强度，能够很好的适用于各种复杂的工作环境。

       因此， 在锂电池行业较为常用的除湿方式为转轮除湿。

四、锂电池生产厂房典型低湿空调系统设计锂电池生产厂房低湿空调系统的空调送风量应按以下计算结果中的最大值选取：

       1）根据生产车间冷、热负荷计算得出的送风量。

       2）根据生产车间湿负荷计算得出的送风量。

       3）为满足生产车间洁净需求计算得出的送风量。

       4）根据生产车间工艺排风计算得出的送风量。

       5）《锂离子电池工厂设计标准》 GB 51377 推荐的低湿房间所需的换气次数计算得出的送风量， 如表1 所示。

表1 低湿房间所需的换气次数

表2 一级转轮除湿系统各空气处理状态点参数表

       以下列举两个典型的转轮除湿空调系统除湿流程及在焓湿图上的处理过程进行说明。需要说明的是，本项目根据建设方输入要求， 新风室外计算参数按照最不利情况t=36℃，φ=80%进行设计，另外，本项目无集中热源，因此转轮再生热源均采用电加热。

       1）正极极卷库，该房间温湿度需求为：温度23℃±5℃，相对湿度≤20%，洁净度ISO8级，该房间无工艺排风需求。根据负荷计算，该空调系统总送风量为22400m3/h，新风量为3360m3/h。根据其工艺需求，本空调系统采用一级转轮除湿机组处理即可满足使用需求，其空调机组处理流程图如图3所示，空气处理过程焓湿图如图4所示，各空气处理状态点的参数如表2所示，转轮除湿机的配置参数如表3所示。

表3 一级转轮除湿系统转轮除湿机参数配置表

       2）干燥间，该房间温湿度需求为： 温度23℃±5℃， 露点≤-30℃， 洁净度ISO8级，无工艺排风。根据负荷计算，该空调系统总送风量为15940m3/h，新风量为4980m3/h，根据其工艺需求，本空调系统采用一级转轮处理很难满足使用需求或使用一级转轮处理性价比较低，因此该低湿空调系统采用二级转轮除湿机组， 其空调机组处理流程图如图5所示，空气处理过程焓湿图如图6所示，各空气处理状态点的参数如表4所示，转轮除湿机的配置参数如表5所示。

图5 二级转轮除湿机组方案流程图

图6 二级转轮除湿机组方案焓湿图

表4 二级转轮除湿系统各空气处理状态点参数表

表5 二级转轮除湿系统转轮除湿机配置参数表

五、低湿空调系统节能分析

       转轮除湿系统具有可独立除湿、低湿下仍有良好除湿效果和将空气处理到较低露点的优势。此外，转轮除湿可与常规空调系统复合成转轮除湿空调系统，实现温湿独立控制，避免常规空调系统温湿联控弊端， 提高能源利用效率，提升被控空间的空气品质及控制精度等优良性能，转轮除湿空调系统也因此在实际应用中受到极大重视。 但是，转轮除湿空调系统结构复杂、运行费用高、除湿过程中空气温升较大及需要对送风进行冷却等限制，而且轮转除湿存在再生过程，不同的再生方式对空调系统运行经济性能有重大影响，采用加热再生则面临着加热热源提供及选择的难题。以本项目为例，所有低湿空调系统再生电加热量总功率约为5900kW，所有低湿空调机组均全年无休运行，每天单是再生电加热一项的运行费用就大约为21.36万元，运行费用极高。

       鉴于上述原因，转轮除湿空调及吸附再生方式受到了众多学者关注，最近几年国内外转轮除湿空调系统形式和性能、转轮除湿性能及吸附剂再生方式等方面进行了研究。

       在锂电池生产厂房整套工艺流程中，有些工艺环节产生大量的废热。其中最主要的有：

       1）涂布工序：将混合好的浆料涂覆在正负极集流体上，在涂布机内通过高温烘烤干燥去除浆料中的溶剂，使得固体物质很好的粘结在基材上，同时将高温废气排出室外。涂布机加热热源通常为电加热或导热油等。其排气温度可达约100℃。

       2）定容化成工序： 在化成柜或定容柜对电池体进行充放电测 试的工艺流程。设备排风温度约50℃~60℃。当采用风冷空压机作为压缩空气气源时，空压机的排气温度达到70℃~80℃。

       因此，在今后的空调系统设计中，可利用工艺设备持续产生的废热，减小转轮除湿空调机组再生加热耗电量。降低锂电池生产厂房中大量转轮除湿机组的运行能耗。

六、结语

       该工程目前已竣工并投入使用，各低湿洁净空调系统的温度、湿度、洁净度、正压、噪声等参数均达到设计要求，运行良好。本文介绍了锂电池生产厂房内低湿洁净间的空调系统的设计过程，可为以后进行类似厂房的设计提供参考。以上方案由中国航空规划设计研究院 赵磊编写。

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